Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Konstruktionstudie av en ångexpander
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.).
2008 (Swedish)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Mechanical design study of a steam expander (English)
Abstract [en]

This thesis applies to a novel steam expander, one part of a steam engine system, a wobble plate

engine. The piston in the expander moves axially with the outgoing rotating shaft and is located

on a plate, why the engine type is called axial engine. When steam is applied to the plungers the

plate wobbles creating a rotation on the shaft going thru the wobble plate. The steam expander is

supposed to be used in exhaust gas recovery (bottoming cycle) applications and small scale

energy production. The commissioner is Ranotor Utveckling AB. The purpose with this thesis is

to evaluate the design of the expander and if possible give advise on the reasonability of the

concept from a mechanical point of view. The pre study concerns the history of wobble plate

engine as an internal combustion engine and steam expander, the engine’s principal layout and

usage, applications today and other information that concerns the engine. A number of

components are selected for further studies namely the piston and piston rod, the ball joint and

the wobble plate with bearings. The piston and piston rod is FE-modelled as a design

optimization. It is evaluated by measuring von Mises stress in different evaluation surfaces. The

study shows how the shape should be mass optimized and how this study can be valuable in the

future. The ball joint is studied as a part that should be bought as a separate part and tested at the

required loads and environment. The component can’t be lubricated with oil (oil can have effect

the function of other components of the system negative) why lot of the attention is put on

finding a joint that works well without lubrication or with water in the contact. The wobble plate

is studied by finding a kvasi-static operation point from a dynamic load modell of the steam

expander and applying these in static FE-modelled simulations. The wobble plate is equipped

with two bearings why an analytic study is made to find out how the position of the bearings

changes the load. The modell is verified by using a FE-modell and bearings are selected. The rest

of the study of the wobble plate is made on evaluating different kinds of supports for the

bearings in a FE-modell and giving general advise concerning the solid mechanics of the

component and how the study should proceed.

Abstract [sv]

Detta arbete handlar om en speciell typ av ångexpander (vilket är en del av ett ångmotorsystem),

en axialkolvmaskin av wobbeltyp. Kolvar är lokaliserade axiellt med utgående axel och vrängs

runt i en wobblande rörelse när ånga trycker över kolvtopparna. Ångexpandern ska användas

som en ny typ av högeffektiv ångmotor för småskalig energiproduktion och avgasåtervinning

(bottoming cycle). Uppdragsgivaren är Ranotor Utveckling AB som står bakom konceptet och

utvecklar de andra delarna av ångmotorsystemet. Syftet med examensarbetet är att påbörja

konstruktionsarbetet av ångmotorn och ge råd till det fortsatta arbetet . Det är framförallt viktigt

att finna problemområden och råd inför det fortsatta utvecklingsarbetet. För att ta reda på hur

konstruktionen använts och används utförs en förstudie. Förstudien berör motortypens historia,

motorns uppbyggnad, nutida tillämpningar och annan information som behövs i

konstruktionsarbetet och ger hjälp för att bestämma vilka komponenter som bör studeras. Då

dessa komponenter har vitt spridda krav är det fortsatta arbetet anpassat till komponenten. Kolv

och kolvstång FE-modelleras som en designoptimering av det spänningstillstånd som uppstår i

ett antal utvärderingsytor. Studien finner därigenom en massoptimerad form som kan fungera

som en utgångspunkt i vidare konstruktion samt går igenom det generella resultatet vid

konstruktion av denna komponent. Ledlagret som kopplar samman kolvstång och wobbelskiva

studeras som en separat komponent som bör köpas in och testas vid de laster och miljö som

föreligger. Komponenten kan inte smörjas med olja, då detta stör andra komponenters funktion i

ångsystemet, varför stor vikt läggs vid att endast vatten kan användas vid smörjning.

Wobbelskivan studeras genom att ta fram kvasistatiska driftspunkter ur en dynamisk

kraftmodeller och applicera dessa i en statisk FE-modellerad simulering. Wobbelskivan lagras

mot utgående axel och för att ta reda på hur stor lagerlast som läggs över varje lager i

gränssnittet z-axel/wobbelskiva utförs först en studie av detta.. Efter detta väljs en position för

två lager och beräkningar utförs för att kontrollera dess livslängd. För att verifiera den modell

som används i FE-simulationerna och även den stelkroppssmodell varifrån lasterna fås utförs ett

antal simulationer. Stelkroppsmodellen verifieras och en studie görs av vilken typ av

inspänningsvillkor som bör användas för lagerlägena i FE-modellen. Modelleringen av

wobbelskivan mynnar ut i ett flertal råd inför det fortsatta konstruktionsarbetet och hur

modelleringen bör gå vidare

Place, publisher, year, edition, pages
2008.
Series
MMK 2008:73 MKN 009
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-100708OAI: oai:DiVA.org:kth-100708DiVA: diva2:544569
External cooperation
Ranotor Utveckling AB,Peter Platell
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2012-08-15 Created: 2012-08-15 Last updated: 2012-08-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Daniel Asplund(5320 kB)406 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5320 kBChecksum SHA-512
75d2f39032e99b7bda669245eab270ae951634a963d510de72ce71f699697a8341323b68353efd91e4190c6331416d6da89c316ec9f9cf924fb2f9457590de2d
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Machine Design (Dept.)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 406 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 161 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf